变频调速在矿用风洞实验装置改造中的应用

郅富标，胡广林，王兵伟

(1.河南理工大学高等职业学院，454000;2.河南煤业化工集团焦煤公司陈召一矿，453000;3.郑州矿区郑新公司安监局，452371)

变频调速在矿用风洞实验装置改造中的应用

郅富标1，胡广林2，王兵伟3

(1.河南理工大学高等职业学院，454000;2.河南煤业化工集团焦煤公司陈召一矿，453000;3.郑州矿区郑新公司安监局，452371)

鉴于变频调速技术在近十年来的迅猛发展，采用欧姆龙变频器对我校一套风洞实验装置进行变频调速改造，改造之后，系统性能优良，易于学生掌握，同时风机在运行过程中可做到节能，降低了运行成本。

变频调速技术;欧姆龙变频器;性能优良;

0 引言

随着科学技术的发展，实验装置不断采用新技术，我校为职业技术学校，20多年前购入一套矿用风洞实验装置，采用直流电机调速，控制系统复杂，虽然调速性能较好，但设备已用20多年，系统已经老化，所需配件无法满足供应。因此，采用交流变频调速取代直流调速，对现有设备进行系统升级改造。

1.风洞实验装置介绍

1.1 技术特征

A、检定范围：0.1 ～40m/s，在检定范围内，风速可任意调节;

B、外形尺寸：总厂 3.0m，宽 0.8m。洞体采用8mm的钢板焊接而成。

1.2 构造

风洞洞体由稳定段(包括蜂窝器和阻尼网)、收缩段、试验段、扩散段、拐角、扩散段组成。这样，有益于保证流场品质和测试精度。

动力系统由三片风扇桨叶、头整流罩、尾整流罩和电机组成，电机转速为1000Rpm，轴功率2.2KW。

A、稳定段：对气流起稳定作用，为收缩段提高品质良好的入流条件。由等值管道、蜂窝器和两层阻尼网组成。

B、收缩段：是将进风口流来的气流加速，使工作段获得实验时所需要的速度，同时能够降低气流的纵向和横向喘流度。因此，此段面由大逐渐变小，一般要求其大小断面积之比(收缩比)不小于4。

C、扩散段：对气流起减速作用，将动压能转换为静压能，减小能量损失。

D、实验段：实验段为封闭的，且镶有玻璃窗，以供检定时直接观察，为了将风表方便的安置在实验段内，还开有一活动玻璃窗，以便打开进行操作。本风洞实验装置由两个实验段。

2.变频改造方案

该风洞实验装置由直流电机拖动，直流电机调速性能优良，在上世纪90年代之前，直流电机在调速领域居于主流地位，但在90年代之后，由于变频器调速性能优良，而且节能效果良好，逐渐取代直流调速居于主流地位。风洞实验装置采用晶闸管整流，直流电机调速。该装置已经使用20多年，晶闸管整流柜许多分立元件已经老化、损坏，配件无法购买。基于此，决定采用变频器取代晶闸管整流柜，交流异步电机取代直流电机。

变频器采用日本欧姆龙(Omron)3G3MZ－ZV2变频器，该变频器功能较简单，性能可靠，频率可以从0Hz－600Hz。控制方式可采用面板控制与端子控制。控制系统原理如图1所示：

图1 控制系统原理图

2.1 端子控制方式

欧姆龙3G3MZ－ZV2变频器采用端子控制，接线简单，投资较少。端子有 S1、S2、S3、S4、S5、S6、SC。其中 S1、S2为电机正转、反转控制端子，S3、S4、S5、S6为电机15段速控制端子。鉴于风洞实验装置转速要求不高，采用8段速即能满足要求，转速档次与各输入端状态之间的关系如表1所示。利用外接端子可实现风机 8 段速，即 15Hz、20 Hz、25 Hz、30 Hz、35 Hz、40 Hz、45 Hz、50 Hz，可在多种频率条件下实现风机的转速。

欧姆龙3G3MZ－ZV2变频器参数设置如下：

N2.01 1 控制回路端子有效(操作器中STOP键也有效)

N4.04 0 2线序(S1端子：正转停止、S2端子：反转停止)

N4.05 1 多功能输入3功能选择(输入端子S3)

N4.06 2 多功能输入4功能选择(输入端子S4)

N4.07 3 多功能输入5功能选择(输入端子S5)

N5.00 15Hz频率在外部端子控制下在15 Hz运行

N5.01 20Hz频率在外部端子控制下在20 Hz运行

N5.02 25Hz频率在外部端子控制下在25Hz运行

N5.03 30Hz频率在外部端子控制下在30 Hz运行

N5.04 35Hz频率在外部端子控制下在35 Hz运行

N5.05 40Hz频率在外部端子控制下在40Hz运行

N5.06 45Hz频率在外部端子控制下在45 Hz运行

N5.07 50Hz频率在外部端子控制下在50 Hz运行

利用外接端子，当3个纽子开关在闭合与断开情况下，可实现风机在8段速下运行。且控制回路简单易于学生掌握，风表校正的精确度大大提高。

表1 转速档次与各输入端状态之间的关系

2.2 面板控制方式

当风机在变频器面板控制方式下，面板如图2所示，操作更加方便。在面板上有风机运行Run、风机正转Fwd、风机反转Rev指示灯。风机在运行过程中有红色数码管在线显示风机运行频率F、风机端电压E、风机输入电流A、风机正转Fwd、风机反转Rev等参数。风机运行频率可通过旋钮由最小(min)到最大(max)可在风机运行时在线调整。用面板控制时，参数N2.01必须调整为0。即操作器的RUN/STOP键有效。

图2 欧姆龙3G3MZ－ZV2变频器操作面板图

2.3 其它参数设置

该风洞实验装置所用风机为流体机械，风机在流量、压力和功率分别与其转速的一次方、二次方和三次方成正比。之前用直流电动机拖动风机，则需要定期更换电刷和换向器，维护保养困难，寿命较短。如采用交流异步电动机，则电机结构简单、坚固、工作可靠、易于维护和保养。采用直流系统需要一套整流装置且控制柜体积较大，如通过变频器调速将转速下降50%，风机理论上的功率消耗仅需额定功率的12.5%，即可节约87.5%的能量消耗。风机在启动时采用压频(U/F)控制。

采用压频(U/F)控制时的参数设置如下：

N0.10 0 控制模式选择(压频控制、矢量控制)

N1.00 60 变频器输出最高频率为60 Hz

N1.01 60 最高电压时的输出频率

N1.02 360变频器输出最高频率为60 Hz时的电压

N1.05 1.5 变频器输出最低频率为 1.5 Hz

N1.09 1 电机启动加速时间为1秒

N1.10 0.1电机断电停止运转时间为0.1秒

N2.04 1 电机禁止反转

N2.02 2 电机停止指令为停止加速/外部异常为加速停止

N8.00 50 电机停止附加直流制动电流

N8.02 3 直流制动时间为3秒

N8.03 10 直流制动时的电机频率为10 Hz

3.结论

3.1 采用交流变频调速时，可采用一台欧姆龙变频器，功率为3.7KW，体积减小，功能齐全，故障率下降，维护费用很少。

3.2 由于风机为流体机械，节能潜力较大，做实验的同时，频率为多档速，风机在不同的转速都可以节能，降低了电能消耗。

3.3 风机可在任意转速下运行，对风表的校准精度有较大提高。

Frequency Control of Motor Speed Application in Mining W ind Tunnel Experimental Device Transformation

ZHIFu－biao1，HU Guang－lin2，WANG Bing－wei3
(1.Higher Vocational College of Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454000，China;2.Henan Coal and Chemical Group Company，Zhengzhou 453000，China;3.Zhengzhou Mine Zhengxin Safety Supervision Bureau，Zhengzhou 452371，China)

In view of frequency conversion technology rapid development over the past decade，Omron inverter is used for our college wind tunnel experimental device transformation of frequency conversion.After transformation，the system performance is excellent，and easy to master by students，while air blowers in the running process can achieve energy－saving and reduce operating costs.

frequency control of motor speed technology;Omr on Inverter;excellent performance

TD63+5 < class="emphasis_bold">文献标识码：A

A

1671－3974(2011)04－0063－03

2011－07－04

郅富标(1976－)，男，硕士，河南理工大学高职学院讲师。研究方向：煤矿井下供电、矿山自动化的教学。